Characterization of embedded fiber optic sensors in advanced composite materials for structural health monitoring

Abstract

This paper presents comprehensive studies on sensor performance of an embedded Extrinsic Fabry Perot Interferometer (EFPI) fiber optic strain sensor in an aerospace grade composite system to support fiber optic smart structures (FOSS) development for Structural Health Monitoring (SHM) System. A major portion of this study is focused on establishing the accuracy of the embedded EFPI sensors in a graphite epoxy composite material system at different stress levels under quasi-static loading conditions. The NASA Dryden calibrated EFPI's were used for accurate measurements. Two collocated surface-mounted strain gages and a calibrated surface-mounted EFPI sensor are used to validate the calibrated embedded EFPI sensor. Experimental results suggest that once calibrated, the embedded and surface-mounted EFPI sensors provide robust, reliable and accurate measurement for values up to ~5,400 higher than sensor's durability limit ~3,000 at 10 6 cycles. This validation provides evidence that the sensing information emanating from FOSS can be used to monitor accurate health information.

Research on Nonlinear Distortion Effect in the Space Scanning Optical Fiber Fabry-Perot Sensor Demodulation System

“…光纤法布里-珀罗(F-P)传感器是研究最早并获得广泛应用的光纤传感器之一， 具有体积小、 重量轻、 动 态范围大和抗电磁干扰能力强等优点， 在航空航天等领域有很好的应用前景 [1][2][3][4][5][6] 。光纤 F-P 传感解调质量是 光纤 F-P 传感应用的关键环节， 研究人员提出了傅里叶变换法 [7] 、 双波长法 [8] 和低相干干涉法 [9] 等多种解调方 法 ， 其 中 低 相 干 干 涉 法 通 过 光 程 差 扫 描 匹 配 能 实 现 对 光 纤 F-P 腔 长 的 绝 对 测 量 ， 因 此 受 到 广 泛 关 注 。 基 于 低相干干涉的空间扫描型光纤 F-P 解调方法通过光楔实现光程差的空间扫描， 并采用线阵 CCD 接收相应的 低相干干涉信号， 由于没有机械运动部件， 所以具有稳定性好和可靠性高的优点， 非常适合于恶劣环境下的 现场应用。针对该类解调系统研究人员提出了多种方案， 如 Dändliker 等 [10] 利用 Wollaston 棱镜构成双折射 光楔并研究了信号处理算法， Belleville 等 [11] 利用 Fizeau 干涉仪构成光楔， Marshall 等 [12] 利用马赫-曾德尔干 涉仪构成虚拟光楔。在计算模型研究方面， 赵艳等 [13] 研究了光楔的互相关数学模型； 本课题组前期研究了双 折射光楔对光程差分布的影响 [14] ， CCD 的光照度的数学模型 [15] ， LED 光源输入光功率对信噪比(SNR)的影响 [16] 和基于 LED 调制和光纤阵列的多通道解调系统 [17] ， 并提出了恢复单色频率绝对相位算法 [18] 。但在上述研究 中 ， 对 CCD 趋 近 于 饱 和 后 的 非 线 性 失 真 现 象 以 及 信 号 失 真 对 解 调 结 果 的 影 响 研 究 甚 少 。 从 建 立 的 CCD 光 性关系， 但随着产生电荷增加， CCD 将呈现出非线性 [19][20][21][22] 。按照文献 [19] (b) experimental results of CCD at pixel number n=1000 and n=2000…”

Damage evaluation of smart composite beams using embedded extrinsic Fabry–Perot interferometric strain sensors: bending stiffness assessment

“…This is because fibre optic sensors are lightweight, small, immune to electromagnetic interference, and can be integrated with many types of host structures. One type is component structures on aircraft [5][6][7]18], spacecraft [8,9] and marine vessels [10,11], in which advanced composites are used 1 Author to whom any correspondence should be addressed.…”